以CAN Bus為基礎的分散式即時伺服馬達控制器之設計與實作

Abstract

本論文研製完成一個以即時網路架構為基礎的多軸運動控制系統，此系統利用PC Windows的軟體資源發展人機介面與系統整合，配合DSP之即時多工核心程式，實現在以CAN Bus為基礎之即時網路上，進行多軸系統偵錯、加減速控制、伺服控制與錯誤處理等工作。硬體架構方面，包括PC、實驗室自行研發之F243 EVM板、及伺服驅動器、馬達。在軟體設計部分，主要包括即時多工運動控制程式、應用於CAN Bus上之時間觸發通訊協定 ( Time Triggered Protocol )、圓、直線和點對點運動軌跡的計算、以及一個以視窗為基礎的互動式人機監控程式。使用者可以藉由人機監控程式線上取得系統相關資料，包括控制參數的調整、系統的運動狀態和錯誤診斷等。本論文說明了此即時網路運動控制系統的設計架構並完成實驗整合，研究結果顯示應用CAN Bus即時控制網路於高階運動控制系統，具有系統設計模組化、開放式的架構、簡化配線、易於擴充等多重優點，是未來多軸運動控制技術發展的方向。

This thesis makes a multi-axis motion control system based on real-time networking technology. The system develops human-machine interface and synthesis system using software resource of PC windows. To implement a real-time network based on CAN bus that cooperated with real-time multi-task program on DSP board to check error, and have slow-down and speed-up control, servo control and error handling on the multi-axis system. The system includes PC, F243 EVM board, servo driver and motor in hardware architecture. In the software design, the system includes real-time multi-task motion control programming, TTP communication protocol implemented on CAN bus, calculation of arc, line and point-to-point track, and an interacted human-machine monitor program based on windows. Users can get system information, which include turning of control argument, motion state of system and fault diagnosis, from human-machine interface on line. At last the thesis presents the design architecture of the real-time network motion control system and implements experimental synthesis. The result shows that using CAN bus real-time control network in advanced motion control system can have system design more module-like, opening architecture, ease of layout, and ease of extension, and it is the direction in the future of multi-axis motion control technology development. 英文摘要 ii 誌謝 iii 目錄 iv 表列 vii 圖列 viii 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究背景 2 1.3 本研究之貢獻 4 1.4 論文架構 5 第二章 系統架構 6 2.1 硬體設備 7 2.1.1 PC 7 2.1.2 DSP EVM板 8 2.1.3 主動式低通濾波器與減算電路 13 2.1.4 伺服馬達 15 2.2 Real-time Kernel -- Taunix 16 2.2.1 Taunix實作 18 2.2.2 設備驅動程式 20 第三章 CAN Bus 23 3.1 為何使用CAN BUS? 23 3.2 CAN BUS介紹 24 3.2.1 簡介 24 3.2.2 基本觀念 24 3.2.3 資料傳輸 25 3.2.4 訊息過濾 29 3.2.5 訊息確認 29 3.2.6 編碼 30 3.2.7 錯誤處理 30 3.2.8 錯誤限制 31 3.2.9 字元傳輸時間 32 第四章 系統實作 33 4.1 PC端實作 34 4.1.1 軌跡計算 34 4.1.2 防錯措施 38 4.1.3 人機介面 40 4.2 DSP端實作 44 4.2.1 時間同步 44 4.2.2 同步驅動 47 4.2.3 即時控制 48 4.2.4 防錯措施 49 4.3 系統工作流程 54 4.3.1 測試模式 54 4.3.2 手控操作模式 56 4.3.3 軌跡運動模式 56 4.4 錯誤處理 65 4.4.1 錯誤偵測 65 4.4.2 錯誤處理 66 4.5 系統狀態分析 67 4.6 實驗數據 71 4.7 實作分析 83 第五章 結論 85 參考文獻 R-1